水通道蛋白1與膠質瘤的最新研究進展*

何 佳 李文良 谷 峰 馬勇杰

水通道蛋白1（Aquaporin-1，AQP1）是一種高度保守的膜結合蛋白，具有特異性跨膜運輸水分子的功能，分子大小為28 kDa，基因定位于人染色體7p14［1］。在中樞神經系統，AQP1主要表達在脈絡叢上皮細胞，具有水通道和調控c-GMP離子通道的雙重作用，參與腦脊液的形成［2］。膠質瘤起源于神經上皮組織，是最常見的原發性中樞神經系統腫瘤。依據組織學來源，膠質瘤可分為星形膠質細胞瘤、少突膠質細胞瘤、少突星形膠質細胞瘤和室管膜瘤，多數低級別的星形膠質細胞瘤可以發展為惡性膠質瘤。惡性膠質瘤的表型特征是腫瘤快速增長、葡萄糖高消耗、腫瘤內壞死和缺氧、微血管增生豐富、血-腦屏障的破壞。研究表明，AQP1表達在星形膠質細胞瘤細胞和血管內皮細胞中，并且隨著腫瘤級別的升高AQP1表達增加［3-4］。進一步研究表明，AQP1與腫瘤血管新生、腫瘤相關腦水腫的發生及腫瘤轉移密切相關［5-7］。本文綜述了近年來有關AQP1與膠質瘤的研究進展，闡釋AQP1的分子結構、表達以及在膠質瘤中的功能。

1 AQP1的分子結構

AQP1在細胞膜上主要以四聚體形式存在，每個單體是1條含269個氨基酸殘基的肽鏈，其作為一個獨立的功能單位，通過中心位置的通道完成水分子的轉運。肽鏈跨膜折疊形成6個長α螺旋結構域，構成了基本骨架，這些疏水跨膜區由5條襻環（A-E loop）相連接，其中B環、D環及肽鏈的羧基、氨基末端位于胞內，A環、C環和E環定位于質膜外側［8］。B環和E環各自折疊成短α螺旋嵌入脂質雙分子層，該α螺旋含有高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（NPA）序列，構成運水通道的核心部位，并與6個α螺旋中靠近四聚體中心的4個螺旋構成完整通道，即為AQP1的“沙漏模型”（hourglass model）。每個孔道的直徑約為3.8 nm，恰好允許1個水分子通過，水分子排列成1條直線進入形似啞鈴狀狹窄的通道，通道中的極性與偶極力幫助水分子以適當的角度通過，而通道中的陽離子區域幾乎嚴格排斥其他所有離子。因此，AQP1能選擇性地通過大量的水，而不允許其他離子或分子通過［9］。

2 AQP1在腦組織及膠質瘤中的表達

在中樞神經系統中，AQP1主要定位于腦室的脈絡叢，也分布于海馬、室管膜和軟腦膜［10］。研究表明，AQP1主要表達在脈絡叢上皮細胞的頂面，在基底面、側面、胞質和脈絡叢血管的內皮細胞也有少量表達［11-13］?？茖W家通過將小鼠腦微血管內皮細胞同星形膠質細胞共同培養，發現原代內皮細胞很少表達AQP1，而傳代后AQP1表達上調，同時血-腦屏障的表型特征逐漸削弱，表明星形膠質細胞抑制中樞神經系統微血管內皮細胞表達AQP1［14］。在星形膠質細胞瘤、室管膜瘤和少突星形膠質細胞瘤中均檢測到 AQP1 的表達［5，15］。目前研究發現，在星形膠質細胞瘤中，AQP1表達于微血管內皮細胞和腫瘤細胞，并且隨著腫瘤級別的升高，AQP1表達增加，對于低級別星形膠質細胞瘤，AQP1僅分布在腫瘤細胞的胞膜上，而高級別星形膠質細胞瘤，AQP1還分布在腫瘤細胞的胞質中［3-4］。與腫瘤中心壞死區的癌細胞相比，靠近外周的腫瘤細胞AQP1表達升高［6］。對于高級別星形膠質細胞瘤，AQP1在癌旁組織的表達較腫瘤內部更加明顯，而低級別膠質瘤正好相反［5］。在星形膠質細胞瘤的癌旁組織，AQP1表達在反應性星形細胞內，表現出圍繞微血管的集落分布［5-6］。無論在腫瘤內部還是癌旁組織，均可觀察到AQP1在血管周圍的表達，然而有趣的是，高級別膠質瘤血管周圍AQP1的表達不包括增生的內皮細胞。此外，Endo等［16］將3種膠質母細胞瘤細胞系分別植入小鼠皮下和顱窗后發現AQP1的表達與腫瘤植入小鼠體內的位置有關。

近年來有報道指出，pH依賴的B-PDF、雌性激素、肽聚糖均調節AQP1在腹膜間皮細胞的表達［17-19］。給予腎內髓集合管上皮細胞高滲條件時，發現激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑能夠誘導AQP1的表達。但這些因素和途徑在何種程度上調節AQP1在膠質瘤中的表達研究很少。在培養的膠質肉瘤細胞9L中檢測出5個潛在的調控AQP1表達的因素，即地塞米松、血小板源性生長因子、氯化鈉、缺氧、D-葡萄糖（非L-葡萄糖）和果糖，并觀察到AQP1 mRNA表達的增加全部以劑量依賴性的方式進行。給予膠質母細胞系缺氧處理后發現，HIF-1 α參與缺氧誘導的AQP1表達，并且觀察到血管內皮生長因子（VEGF）的上調，表明缺氧誘導的AQP1上調可能導致細胞膜水通透性的增加。進一步研究表明，AQP1表達與糖酵解水平有關，在缺氧條件下也是通過增加糖酵解水平調控AQP1的表達，而不是缺氧本身調控［20-21］。

3 AQP1在膠質瘤中的作用

3.1 血管生成

新生血管不僅為腫瘤提供充足的營養物質，還可以分泌多種生長因子促進腫瘤生長。研究表明，在黑色素瘤細胞中敲除AQP1后植入小鼠皮下或顱內，發現腫瘤微血管密度明顯減少，并出現大量壞死，表明抑制AQP1可以延緩腫瘤血管的生成，抑制腫瘤細胞遷移［22］。研究發現，AQP1在膠質母細胞瘤中高表達，且其分布呈現出明顯的差異性，即AQP1在腫瘤浸潤區域的血管周圍高表達，而在腫瘤中心壞死區域表達較低，盡管在低級別膠質瘤AQP1僅表達在一些膠質瘤細胞，但AQP1在鄰近腫瘤浸潤區域表達的模式仍然存在。在膠質瘤中心壞死灶周圍，微血管呈現腎小球樣的形態，在腫瘤外周則呈分枝狀結構，膠質瘤主要沿著血管侵襲周圍組織，從血液獲得充足的營養物質并清除代謝產物，而AQP1表達在微血管周圍的膠質瘤細胞，說明AQP1的表達可能與膠質瘤血管新生有關［6］。然而，AQP1介導膠質瘤血管生成的機制仍需進一步研究。

3.2 膠質瘤相關水腫

膠質瘤相關水腫（GRE）是膠質瘤常見的并發癥，包括腫瘤周圍水腫和腫瘤內部水腫，隨著腫瘤級別的增高，水腫發生率增加，水腫的發生加重了瘤體占位效應，妨礙外周正常組織的功能，影響患者發病率和死亡率，此外，瘤旁水腫的形成能夠松弛膠質瘤組織，從而增強膠質瘤的侵襲能力［23］。研究表明，腫瘤周圍水腫的發生是由于血-腦屏障受損，膠質瘤破壞血-腦屏障結構，使血漿進入細胞間質，導致血管性腦水腫［24］。除此之外，相比正常腦組織，膠質瘤微血管的通透性增加，AQP1表達在膠質瘤微血管內皮細胞，可能有利于瘤旁水腫的產生［24-26］。研究發現，AQP1表達情況與膠質瘤級別、癌旁水腫程度呈正相關，表明AQP1可能參與血管性腦水腫的形成［5，24］。但是AQP1參與膠質瘤相關水腫形成的病理生理機制仍不清楚。

3.3 細胞遷移

遷移是腫瘤細胞的一種基本特性，是腫瘤細胞浸潤和轉移的前提，其過程主要包括細胞前端伸出偽足，偽足與細胞外基質形成新的細胞黏著，細胞體收縮，細胞尾端與周圍基質解離。Saadoun等［22］發現，敲除AQP1的小鼠腫瘤血管生成與內皮細胞遷移能力明顯降低，并推測水通道蛋白依賴的細胞遷移可能是一個普遍的細胞現象；細胞在遷移過程中，通過細胞膜突起快速的形成和收縮而不斷調整自身體積，以適應外部狹小的空間，并推動著細胞向前運動。AQP1能夠與Lin7/β-catenin結合［27］，引起肌動蛋白重組形成質膜突起，同時介導水分子快速跨膜轉運進入偽足，通過促進質膜突起的快速更新和增加水的滲透性而促進腫瘤細胞的遷移［22，28］。研究發現，敲除AQP1的膠質瘤細胞系其細胞遷移能力明顯下降，表明AQP1可能促進膠質瘤細胞在腦內的遷移；此外，鏡檢遷移中的細胞發現熒光標記的AQP1主要定位在細胞的前端，提示AQP1在遷移過程中的作用［29］。Rouzaire-Dubois等［7］將小鼠膠質瘤細胞中的AQP1降表達后發現，細胞在不等滲環境下快速調節細胞體積的能力下降，進一步證實AQP1可能通過水的快速跨膜轉運調整細胞自身體積，進而促進細胞的遷移。

此外，研究表明腫瘤微環境的酸化能夠促進腫瘤的生長、轉移，并可能在腫瘤放療、化療和其他非手術治療耐受性方面發揮作用［30］。膠質瘤細胞能夠進行高效率的有氧糖酵解，導致在常氧狀態下仍能產生大量乳酸［31］，造成細胞外環境的酸化，從而促進腫瘤細胞的轉移。AQP1作為機體中重要的水通道蛋白，可能在細胞內向細胞外轉運多余H+的過程中發揮作用［32-33］，提示AQP1在膠質瘤轉移過程中的又一作用。

4 展望

AQP1主要通過轉運水分子在腫瘤血管生成、腫瘤相關水腫及腫瘤浸潤轉移中發揮作用，并隨著腫瘤級別的增高，AQP1表達增加，對于低級別膠質瘤，AQP1表達在膠質瘤細胞膜和微血管內皮細胞上，而在高級別膠質瘤中，AQP1強烈表達在腫瘤細胞的胞膜和胞質中，在微血管內皮細胞上則沒有表達，AQP1這種在各級別膠質瘤中不同的表達模式仍需進一步探討。血管內皮生長因子（VEGF）在星形膠質細胞瘤中的表達明顯高于正常腦組織，有學者認為VEGF可能誘導AQP1的表達，從而促進腫瘤血管的生成［5］；HIF-1α主要表達在圍繞腫瘤中心的壞死缺氧區并增加AQP1的表達［6］，缺氧誘導的AQP1表達上調可能增加細胞膜水的通透性，與組織缺氧引起的腫瘤內水腫有關，給予膠質母細胞系缺氧處理后發現，HIF-1α參與缺氧誘導的AQP1表達，并且觀察到血管內皮生長因子（VEGF）的上調，表明缺氧誘導的AQP1上調可能導致細胞膜水通透性的增加［21］，與此同時，AQP1的上調可能通過擴散氧分子的功能增加組織含氧量進而減輕微血管增生、組織凋亡和壞死［34］。因此，可以通過建立動物模型來進一步探討AQP1與膠質瘤相關水腫的關系。

此外，研究發現AQP1啟動子中包含皮質激素結合元件，臨床應用皮質類固醇治療腦水腫的作用機制可能與AQP1在腦腫瘤的過度表達有關。另一項研究證實，芳基磺酰胺通過抑制AQP1的表達而減少小鼠損傷模型中腦水腫的發生，因此，AQP1可能成為膠質瘤藥物治療新靶點。最新研究表明，AQP1通過lin7/β-catenin促進人黑色素瘤細胞和人血管內皮細胞的遷移，推斷AQP1可能通過lin7/β-catenin影響肌動蛋白細胞骨架進而促進細胞遷移［27］，然而目前細胞內AQP1的激活以及下游作用的機制仍未明確，需要進一步探討研究。

盡管AQP1在不同疾病中的作用已被初步揭示，但是其在膠質瘤的研究還需要更深入的研究和探討。

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